水導(dǎo)激光加工技術(shù)及其應(yīng)用

陳澤偉, 張 飛, 張智寧, 陳 勝,李瑩華, 周培榕, 湯瑞鑫,平金峰

(1.汕頭大學(xué), 廣東 汕頭 515063;2.汕頭超聲印制板公司,廣東 汕頭 515065)

隨著我國(guó)航空、航天、通信以及醫(yī)療等領(lǐng)域的快速發(fā)展,對(duì)一些零部件的要求也越來(lái)越嚴(yán)格,需要精度更高、體積更小的元件,這也導(dǎo)致國(guó)家對(duì)相關(guān)基礎(chǔ)材料的加工要求更加嚴(yán)格。傳統(tǒng)的材料加工主要包括機(jī)械加工、電火花加工以及電化學(xué)加工等,這些加工方式都存在一定的缺陷,無(wú)法滿足高精度的加工要求。在機(jī)械加工的過(guò)程中,工件與刀具直接接觸,會(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生較大的磨損,還會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力[1,2],影響零件的使用壽命與性能;電火花加工技術(shù)的加工速度一般較慢,電極損耗嚴(yán)重等缺點(diǎn)[3];電化學(xué)加工的加工穩(wěn)定性較差,且電解產(chǎn)物易造成環(huán)境污染[4]。

與傳統(tǒng)加工方法相比,激光加工具有以下顯著優(yōu)勢(shì)[5-7]:(1)它不與材料直接接觸,不會(huì)使制造成的零件產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力,在某種程度上提高零件的性能;(2)適用于大部分材料,減少加工難度;(3)可以編寫程序控制加工刀具,適合用于大面積加工(圖1)。早在上個(gè)世紀(jì),激光加工技術(shù)就被應(yīng)用于金剛石的磨具加工中。

(a) 小孔;(b) 切槽;(c) 方形切槽圖1 C276 哈氏合金水導(dǎo)激光加工觀測(cè)結(jié)果[8]Fig.1 Observation results of water-guided laser processing of C276 Hastelloy

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展,有關(guān)激光加工技術(shù)的理論不斷地被人們所了解,目前被廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)中進(jìn)行鉆孔、劃槽、切割等作業(yè)。根據(jù)脈沖寬度的不同,激光光源一般可分為連續(xù)激光、長(zhǎng)脈沖激光、短脈沖激光以及超短脈沖激光等。連續(xù)激光和長(zhǎng)脈沖激光擁有較快的加工速度,但產(chǎn)生的熱影響區(qū)較大,容易形成重鑄層[9]。超短脈沖激光直接將材料轉(zhuǎn)化為等離子態(tài),可以實(shí)現(xiàn)材料的噴發(fā)去除,達(dá)到冷加工的效果,但加工效率較低。與超短脈沖激光相比,納秒級(jí)短脈沖激光的獲取成本更低,加工過(guò)程產(chǎn)生的材料去除率更高。由于納秒脈沖激光在加工時(shí),會(huì)產(chǎn)生大量的熱,其本質(zhì)上仍是一種熱基工藝,具有與長(zhǎng)脈沖激光加工和連續(xù)激光加工相同的典型熱缺陷,容易在零件中形成重鑄層[9]。

為解決傳統(tǒng)激光加工過(guò)程中所面臨的熱問題,水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,研究人員將激光和水耦合,產(chǎn)生一種新的加工系統(tǒng),既可以解決傳統(tǒng)激光加工遇到的熱問題,又能保證加工的需求。該系統(tǒng)基于以下四個(gè)理論(發(fā)現(xiàn)):(1)Colladon[10]在1842年提出的光可以沿著高速水流的遠(yuǎn)動(dòng)軌跡做曲線運(yùn)動(dòng);(2)Tyndall在1854年發(fā)現(xiàn)的光在流動(dòng)液體中的全反射現(xiàn)象;(3)Doi在1987年發(fā)現(xiàn)的可以將激光與水相互結(jié)合起來(lái),形成可以直接作用于工件表面的激光刀;(4)Wrobel在1990年通過(guò)將射流與固體光纖相結(jié)合,將水通過(guò)該裝置成功地引導(dǎo)在工件表面。1997年,Synova公司首次將這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行商業(yè)改造,將其運(yùn)用于零件加工領(lǐng)域,為水導(dǎo)激光廣泛運(yùn)用于零件加工奠定基礎(chǔ)。

水導(dǎo)激光加工作為一種新型加工方式有效結(jié)合了傳統(tǒng)激光加工方式和水射流加工方式的優(yōu)點(diǎn),在解決傳統(tǒng)激光加工熱問題基礎(chǔ)上保證加工需求,具有熱影響區(qū)小、熱殘余應(yīng)力小、微裂紋少、加工精度高等優(yōu)點(diǎn),并在水射流的沖刷下有效減少熔融產(chǎn)物堆積形成的毛刺,降低了加工表面的表面粗糙度,擁有廣泛的應(yīng)用價(jià)值與發(fā)展前景。因此,對(duì)該技術(shù)進(jìn)行深入了解和研究,對(duì)于促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)發(fā)展都具有積極的作用。此外,本文還有助于對(duì)水導(dǎo)激光加工技術(shù)的各種優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)性的總結(jié)和歸納,為后續(xù)研究提供可靠的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)該技術(shù)的詳細(xì)介紹和深入解析,可以更好地理解其機(jī)理原理和應(yīng)用價(jià)值,為其在未來(lái)的研究和應(yīng)用中提供更好的指導(dǎo)和支持。

1 水導(dǎo)激光加工原理

水導(dǎo)激光加工原理如圖2所示。由于水與空氣的折射率不同,當(dāng)光從空氣射入水時(shí),光會(huì)在水與空氣的交界面發(fā)生反射,這是水能引導(dǎo)激光至工件表面的基本條件。當(dāng)光的入射角小于光的全反射零件角時(shí),光束就會(huì)在水與空氣的交界面發(fā)生全反射[12],這就保證了光的能量能以極小損耗的狀態(tài)抵達(dá)工件表面。

圖2 水導(dǎo)激光加工原理圖Fig.2 Schematic diagram of water-guided laser processing

在水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)中,激光能量并不是跟“干激光”一樣直接作用于工件表面,而是通過(guò)水流傳輸?shù)焦ぜ砻?可以把水流當(dāng)成玻璃光纖,光在水流就如同在光纖中,能夠準(zhǔn)確高效的把光傳遞到需要的部位。一旦穩(wěn)定范圍內(nèi)的水射流與工件發(fā)生碰撞,水射流引導(dǎo)的激光能量就被材料表面吸收,吸收的激光能量使燒蝕區(qū)域的材料熔化、蒸發(fā)。在水導(dǎo)激光加工過(guò)程,水射流的沖擊力遠(yuǎn)比傳統(tǒng)水射流加工的力度小,水射流的作用主要是用來(lái)傳導(dǎo)激光,同時(shí)將加工產(chǎn)生的廢料帶走,并能保證工件表面處于一種較低溫的狀態(tài),以免損傷工件的結(jié)構(gòu)。穩(wěn)定的水射流在水的擊穿閾值內(nèi)可耦合不同波長(zhǎng)、脈寬的激光,經(jīng)過(guò)一定的工作距離作用于不同材質(zhì)的工件表面,能夠滿足廣泛的生產(chǎn)要求[13]。

在水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)中,高壓供水系統(tǒng)通過(guò)壓力使得水槽中的水以1～50 MPa的壓強(qiáng)噴出形成水射流光纖,一般采用蓄能器吸收壓力脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的壓力調(diào)節(jié)。由于水分子為極性分子,易受到周圍電場(chǎng)的影響使得無(wú)法完成精確的加工需求,因此,水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)一般需遠(yuǎn)離電場(chǎng),將水與激光耦合在一起的系統(tǒng)需垂直放置。

作為激光的傳播途徑,系統(tǒng)對(duì)水的要求非常嚴(yán)格。若水中含有較高含量的微細(xì)顆粒,則會(huì)干涉高速水射流的層流狀態(tài)甚至堵塞噴射水射流的噴嘴使得系統(tǒng)無(wú)法正常工作。水中的微細(xì)顆粒還會(huì)使得高能激光在水射流中發(fā)生反射、散射或散焦而使光束傳輸路徑發(fā)生改變,導(dǎo)致能量逸散損耗。因此,水導(dǎo)激光加工設(shè)備需要配備水凈化系統(tǒng),包括反滲透系統(tǒng)、nm顆粒過(guò)濾器、紫外線照明燈、真空膜除氣裝置和活性炭過(guò)濾器等[14]。由噴嘴射出的水射流是呈圓柱形的層流水束,其與空氣之間的接觸面較光滑,可以保證激光在水射流中的全反射。

當(dāng)水射流高壓通過(guò)噴嘴時(shí),由于噴嘴的折射率與水的不一樣,使得激光在水與噴嘴的交界面無(wú)法全反射,會(huì)有部分能量沉積在噴嘴表面。為解決該現(xiàn)象,研究人員發(fā)現(xiàn)只要在水與激光耦合后不再與噴嘴接觸,即水射流的直徑小于噴嘴孔徑,達(dá)到穩(wěn)定的“縮流”狀態(tài)?？s流狀態(tài)是指在水到達(dá)噴嘴時(shí),由于自身慣性的影響,使得其無(wú)法直接沿著噴嘴邊緣發(fā)生90°的偏折,而是會(huì)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)一段距離,在噴嘴下端形成直徑小于噴嘴直徑的水射流(圖3)。

圖3 水射流噴射圖Fig.3 Water jet ejection diagram

在耦合槽中,由于極高的水壓,水槽中的水高速噴出,其狀態(tài)極不穩(wěn)定。在其噴出之后,會(huì)形成具有緊密結(jié)構(gòu)的水射流,水射流會(huì)因高速與周圍的空氣產(chǎn)生劇烈摩擦,進(jìn)行動(dòng)量能量的交換,使得水射流由于其本身的布朗運(yùn)動(dòng)發(fā)生發(fā)散運(yùn)動(dòng);隨著水射流噴射距離的增加,發(fā)散運(yùn)動(dòng)不斷加強(qiáng),使得周圍的空氣不斷被水射流吸入,降低水射流速度。由于速度降低,使得水射流最終離散為液滴[15]。

典型的水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)主要由耦合對(duì)準(zhǔn)及觀測(cè)系統(tǒng)、供水系統(tǒng)及三維工作臺(tái)三部分構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。耦合對(duì)準(zhǔn)及觀測(cè)系統(tǒng)主要由激光器、擴(kuò)束及聚焦元件、耦合單元及觀測(cè)相機(jī)構(gòu)成。由激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束及聚焦元件作用后聚焦在耦合單元內(nèi)的噴嘴小孔附近。為了使激光能更好地耦合進(jìn)水射流,首先調(diào)整聚焦系統(tǒng)的位置使激光照射在噴嘴小孔附近的光斑直徑最小。接下來(lái)調(diào)整激光光路中光學(xué)元件的位置直至激光束腰位置與噴嘴小孔重合,這樣就完成了激光與水射流的耦合。通常情況下耦合頭垂直放置,以免水射流因重力過(guò)大產(chǎn)生彎曲,從而導(dǎo)致激光從水射流中逸出。供水系統(tǒng)用于精準(zhǔn)控制進(jìn)入耦合系統(tǒng)的高壓水壓力并且保證其水壓穩(wěn)定,其主要由高壓供水泵、穩(wěn)壓表、壓力表、調(diào)壓閥和溢流閥組成。代加工工件固定在三維工作臺(tái)上,各子系統(tǒng)的運(yùn)行由PC和PLC控制,當(dāng)水位和水壓低于一定值時(shí)自動(dòng)關(guān)閉,以避免激光損壞噴嘴。

圖4 典型水導(dǎo)激光加工設(shè)備示意圖Fig.4 Schematic diagram of typical water-guided laser processing equipment

2 主要應(yīng)用

2.1 打孔

傳統(tǒng)的激光打孔技術(shù)主要有電液束打孔、電火花打孔和激光打孔三種。電液束打孔利用高電壓和酸類電解液加工直徑較小的孔。電液束打孔過(guò)程中,通常會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕、孔口偏大、雙眼皮孔、臺(tái)階狀、孔壁不完整等缺陷。電火花打孔是利用連續(xù)上下垂直運(yùn)動(dòng)的細(xì)金屬銅管(稱為電極絲)作電極,對(duì)工件進(jìn)行脈沖火花放電蝕除金屬成型。電火花打孔只能作用于導(dǎo)電材料上,且加工速度慢,加工的精度要求越高,其加工速度越慢。激光鉆孔技術(shù)分為沖擊切割和旋轉(zhuǎn)切割。沖擊孔直徑0.01～1.00 mm,孔深5～15 mm,孔為喇叭形,孔壁重熔層約0.15 mm。開口尺寸不受旋轉(zhuǎn)切割方法的限制,但開口深度受到限制,孔壁上熔融層的厚度較小,激光鉆孔精度不高,重復(fù)精度低,處理后不可避免地會(huì)出現(xiàn)重熔甚至微裂紋。因此,工藝的數(shù)量和規(guī)模非常小。

傳統(tǒng)打孔方法都存在著一些缺點(diǎn),為了統(tǒng)合各種打孔方法的優(yōu)點(diǎn),Richerzhagen[16]提出了水導(dǎo)激光加工方法,他將激光與水射流耦相互耦合,證明了水導(dǎo)激光在金剛石,碳化硅以及半導(dǎo)體熱敏感材料的高精度加工擁有不錯(cuò)的加工效果。Reshed等[17]設(shè)計(jì)并開展了微細(xì)電火花和水導(dǎo)激光加工噴油嘴孔的對(duì)比實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)激光打孔加工得到的孔精度比電火花打孔的高。

通過(guò)對(duì)比兩種激光打孔技術(shù)效果(圖5),可以看出,通過(guò)傳統(tǒng)激光打孔技術(shù)獲得的孔,邊緣比通過(guò)水導(dǎo)激光獲得的孔的邊緣更加粗糙,若要獲得更精細(xì)的孔,還需進(jìn)一步的加工處理。通過(guò)水導(dǎo)激光加工得到的孔邊緣圓滑,沒有毛刺,獲得了更好的加工質(zhì)量,具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

(a)傳統(tǒng)激光打孔;(b)水導(dǎo)激光打孔圖5 傳統(tǒng)激光打孔與水導(dǎo)激光打孔加工對(duì)比Fig.5 Comparison between traditional laser drilling and water guide laser punching processing

(a)傳統(tǒng)激光切割;(b)水導(dǎo)激光切割圖6 激光切割與水導(dǎo)激光切割加工不銹鋼對(duì)比圖[36]Fig.6 Comparison between laser cutting and water guided laser cutting of stainless steel

關(guān)于水導(dǎo)激光打孔技術(shù),國(guó)外的研究比國(guó)內(nèi)的要領(lǐng)先,并能將其轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。SYNOVA公司與GE公司合作開發(fā)了能夠運(yùn)用于渦輪葉片氣膜孔的加工技術(shù)[18]。國(guó)內(nèi)的技術(shù)還未成熟到可以實(shí)際運(yùn)用上,主要是圍繞在基礎(chǔ)理論上的研究。徐俊杰[19]以碳化硅為主要材料,對(duì)水導(dǎo)激光打孔工藝進(jìn)行研究,總結(jié)了不同技術(shù)要求對(duì)加工結(jié)果的影響。曹治赫[8]以激光水射流耦合原理搭建了水導(dǎo)激光加工設(shè)備,并以多種材料作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,發(fā)現(xiàn)了兩種金屬材料加工得到的盲孔邊緣規(guī)則圓滑,切槽邊緣平直無(wú)毛刺,無(wú)熱影響區(qū)。張正等[21]提出了一種新型水導(dǎo)激光縮流導(dǎo)光方法,并通過(guò)激光與縮流層流水柱高效耦合試驗(yàn)與材料加工試驗(yàn)證了其加工方法的可行性,且對(duì)比空氣中加工結(jié)果,水-氣縮流傳導(dǎo)激光加工技術(shù)在熱影響區(qū)和熱堆積上有明顯改善。

關(guān)于國(guó)內(nèi)對(duì)水導(dǎo)激光打孔加工技術(shù)的探究中,Yang等[22]在2002年就水導(dǎo)激光蝕刻硅片進(jìn)行了研究,該研究綜合了多種因素,發(fā)現(xiàn)了水導(dǎo)激光打孔的效率與激光能量、水流的溫度以及材料本身有關(guān)。Wang等[23, 24]在2007年通過(guò)數(shù)學(xué)建模并運(yùn)用ANSYS有限元軟件對(duì)各種材料的水導(dǎo)激光打孔進(jìn)行了仿真分析,數(shù)值仿真和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比取得了很好的一致性。詹才娟等[25]在2011年利用有限體積法對(duì)基于硅片的水導(dǎo)激光打孔建立了數(shù)學(xué)模型,對(duì)加工過(guò)程中的能量流動(dòng)以及液體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析,基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了水導(dǎo)激光雙脈沖打孔工藝。于永飛等[25]在2022年利用水導(dǎo)激光打孔技術(shù)加工高溫合金 GH4169,發(fā)現(xiàn)激光功率與孔的出入口圓度的形成緊密相關(guān)。

隨著國(guó)內(nèi)外智能制造的不斷發(fā)展,人們對(duì)微孔加工技術(shù)的精度要求與日俱增。高能激光與水射流復(fù)合加工技術(shù)在材料的精密微細(xì)加工上有著巨大優(yōu)勢(shì),能夠加工出沒有熱影響區(qū)、精度高、深徑比大的微細(xì)孔[25]。因此,水導(dǎo)激光鉆孔技術(shù)廣泛應(yīng)用于渦輪葉片等零件的微孔加工。目前,水導(dǎo)激光鉆孔仍然面臨許多挑戰(zhàn)?？茖W(xué)家們對(duì)激光與材料相互作用的物理機(jī)制和數(shù)學(xué)模型、激光與水射流的耦合機(jī)制、加工參數(shù)的優(yōu)化以及激光設(shè)備的集成化和小型化進(jìn)行了深入研究,希望得到能夠廣泛運(yùn)用于各大領(lǐng)域的水導(dǎo)激光打孔技術(shù)。

2.2 切割

在材料切割加工的領(lǐng)域中,與傳統(tǒng)切割方法相比,激光切割在加工效率、加工精度以及對(duì)材料的損傷方面,都有明顯優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)使得激光切割在各大領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。在醫(yī)療領(lǐng)域中,激光切割可以運(yùn)用于血管內(nèi)支架的加工[26]。但是傳統(tǒng)激光切割技術(shù)中,會(huì)使材料產(chǎn)生一定的損傷,降低零部件的使用壽命。水導(dǎo)激光切割與傳統(tǒng)激光切割相比,既擁有高效率、高精度的優(yōu)點(diǎn),能降低熱損傷對(duì)零部件本身的損害,還可以降低在切割過(guò)程中產(chǎn)生的污染物。

早在1993年,Richerzhagen等[27]對(duì)激光在水射流中的傳播進(jìn)行了研究,并以此成立了從事水導(dǎo)激光研發(fā)和運(yùn)用的公司,并揭示了水射流激光切割技術(shù)在材料加工中的優(yōu)勢(shì),水射流激光及其材料加工的研究引起了國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的興趣。

Richerzhagen等[28]在1996年就激光在水中的聚焦進(jìn)行研究,并建立了聚焦數(shù)學(xué)模型。Kruusing[29-30]在2004年研究了不同波長(zhǎng)在水中的衰減程度,該研究表明,波長(zhǎng)在492～577 nm范圍內(nèi)的激光被水吸收的能量最小。Spiegel等[31]在2004年就激光在水射流中的傳播進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在水射流較遠(yuǎn)時(shí),功率更高的激光會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的拉曼散射現(xiàn)象,為水導(dǎo)激光功率的選擇研究提供理論支持。陳笑[32]等在2005年研究了高功率激光在與水射流的相互作用過(guò)程中激光等離子體波的傳播特性。Couty[33]在2005年對(duì)不同直徑和不同速度的水射流等參數(shù)對(duì)激光能量分布的影響進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)激光在水射流中的傳播過(guò)程中類似于激光在多模光纖中的傳輸,從而解釋了為什么水導(dǎo)激光不同于“干激光”切割需要聚焦的優(yōu)越性。

隨著水導(dǎo)激光切割技術(shù)原理越來(lái)越被人們熟知,與水導(dǎo)激光切割技術(shù)相關(guān)的工藝與設(shè)備也逐步被研究者所發(fā)展。Wagner 等[34]等通過(guò)對(duì)比水導(dǎo)激光切割與傳統(tǒng)激光切割的加工效果,發(fā)現(xiàn)在切割速度一致的條件下,水導(dǎo)激光切割所加工的材料在其表面粗糙程度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱影響區(qū)的優(yōu)勢(shì)更加明顯。其加工對(duì)比圖如6所示。李靈等[35]通過(guò)針對(duì)不同穩(wěn)定性水射流所耦合的激光進(jìn)行實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)激光能量衰減與水射流的穩(wěn)定性有關(guān)。Weiss 等[36]通過(guò)研究使用水導(dǎo)激光切割加工后的不銹鋼表面氧化情況,發(fā)現(xiàn)了加工過(guò)后材料表面氧化區(qū)域面積與切割速率成正比的現(xiàn)象。Ng等[37]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了在噴嘴直徑為30 μm水射流的條件下,水導(dǎo)激光切割加工的精度最佳的現(xiàn)象。

相比于國(guó)外,國(guó)內(nèi)對(duì)于水導(dǎo)激光切割設(shè)備的發(fā)展相對(duì)緩慢,并沒有達(dá)到制造工業(yè)級(jí)水導(dǎo)激光切割設(shè)備的能力,但是也有一些領(lǐng)先于世界其他國(guó)家的理論研究。李靈等[38]針對(duì)現(xiàn)有激光與水射流耦合問題,設(shè)計(jì)出通過(guò)凸透鏡聚焦激光使激光直接進(jìn)入水射流的耦合裝置,并通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)可以很好的滿足硅片高精度的加工需求。葉瑞芳等[39]針對(duì)現(xiàn)有激光與水射流耦合裝置較難制作的問題,提出了通過(guò)以軸棱鏡代替聚焦透鏡的方法,降低制作難度,并在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了該方法的可行性。楊保健等[40]通過(guò)設(shè)計(jì)一種雙注水口水導(dǎo)激光切割耦合裝置,提高了切割時(shí)的工作效率,和降低了切割時(shí)材料的損耗。

2.3 切槽

激光在切細(xì)槽方面有著傳統(tǒng)加工方法無(wú)法比擬的優(yōu)越性能,當(dāng)加工0.5 nm以下的細(xì)槽時(shí),傳統(tǒng)加工方法幾乎不可能實(shí)現(xiàn),但是0.5 nm以下的細(xì)槽在航空工業(yè)與集成電路方面有著廣泛的應(yīng)用需求。為了降低葉片的表面溫度,增加飛機(jī)上空氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的使用壽命,最好的方法就是在葉片表面盡可能多的切槽,使葉片表面盡可能多的覆蓋冷卻液。而且傳統(tǒng)加工方法很難應(yīng)用于陶瓷材料的加工,但是陶瓷材料的應(yīng)用范圍在隨著世界先進(jìn)制造的發(fā)展而擴(kuò)大。

前文提到,干激光切割方法會(huì)對(duì)材料造成較大的熱損傷,利用水射流與激光耦合,可以通過(guò)水流吸收材料表面的熱量來(lái)降低材料的熱損傷。水導(dǎo)激光開槽技術(shù)也具有相似的特點(diǎn),在不損傷材料的同時(shí),還具有較高的加工精度。

張旖諾等[41]通過(guò)水導(dǎo)激光對(duì)碳纖維增強(qiáng)塑料進(jìn)行開槽處理。運(yùn)用有限元法中的單元生死技術(shù),建立了水導(dǎo)激光加工非均質(zhì)纖維樹脂基體的三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)模型。在該模型下,利用雙向循環(huán)掃描的加工方式對(duì)切面的微觀形貌進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn),在相同軌跡時(shí)切割產(chǎn)生的長(zhǎng)邊錐度要小于短邊錐度,且深度較淺的表面粗糙度要小于較深的表面粗糙度。通過(guò)對(duì)切面不同側(cè)邊、不同深度的表面形貌進(jìn)行分析,認(rèn)為水射流高效的排屑率是實(shí)現(xiàn)水導(dǎo)激光高精度加工的關(guān)鍵因素。

3 技術(shù)難點(diǎn)

水導(dǎo)激光加工技術(shù)的發(fā)展還面臨以下難點(diǎn):(1)水射流對(duì)激光的能量有一個(gè)較明顯的減弱作用,使得激光與水射流耦合后能量衰減明顯,限制了水導(dǎo)激光加工技術(shù)的應(yīng)用范圍,導(dǎo)致使用水導(dǎo)激光切割技術(shù)加工材料的速度較慢,加大了能源損耗。(2) 水射流的直徑影響光束寬度,從而影響加工精度。射流的直徑越小,加工精度越高,但射流的穩(wěn)定性降低。(3)為了保證射流的高穩(wěn)定性,噴嘴孔的厚度非常薄,噴嘴的圓柱孔不是圓錐形和圓形,并具有一定的抗水力沖擊剛度。噴嘴的圓柱形表面粗糙度非常小,且安裝精度高。上述對(duì)高精度和高質(zhì)量的要求增加了噴嘴孔的制造難度。(4)激光與水射流快速精準(zhǔn)耦合,需要使用高精度的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

激光與水射流耦合技術(shù)能夠應(yīng)用于航空、晶體制造、復(fù)雜醫(yī)學(xué)和其他領(lǐng)域,用以處理金屬、半導(dǎo)體和復(fù)合材料等難加工材料。建模和仿真為理解激光燒蝕的物理機(jī)制,擴(kuò)大激光在水下實(shí)驗(yàn)和制導(dǎo)中的應(yīng)用范圍提供了依據(jù)?；诟鞣N加工材料的水導(dǎo)激光加工方法的大量研究證明了其在金屬材料、半導(dǎo)體和先進(jìn)復(fù)合材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

然而,水導(dǎo)激加工能力仍然受到高質(zhì)量、寬工作空間和窄工作空間的孔、槽、邊加工要求的限制。同時(shí),金剛石、藍(lán)寶石、超硬陶瓷等難加工材料的導(dǎo)水激光加工技術(shù)還有待進(jìn)一步研究。為了滿足更好的加工和大規(guī)模生產(chǎn)的需要,未來(lái)可能需要進(jìn)一步發(fā)展的領(lǐng)域有:

(1)減小水射流直徑,降低高強(qiáng)度激光能量損失。水射流直徑的大小對(duì)處理的分辨率和質(zhì)量有重要影響。為了減小射流直徑,保持射流的穩(wěn)定性,需要進(jìn)一步研究水-氣相互作用和耦合參數(shù)對(duì)射流分布和激光能量場(chǎng)的影響。

(2)確定耦合過(guò)程中焦點(diǎn)的移動(dòng)。在激光與水射流相互作用的過(guò)程中,由于水聚焦激光的熱效應(yīng),水溫升高,導(dǎo)致激光的折射率和吸收系數(shù)發(fā)生變化。在這種影響下,激光聚焦偏離理論聚焦,導(dǎo)致通信效率下降,甚至導(dǎo)致通信損耗。以往的研究往往忽略了高流量工況下機(jī)組噴水溫度的變化,不能滿足提高加工質(zhì)量的要求。

(3)研究激光加工過(guò)程中激光水射流與水驅(qū)材料的相互作用原理。水激光加工過(guò)程是高能激光、水射流和材料之間復(fù)雜的相互作用過(guò)程。在水導(dǎo)電激光加工過(guò)程中,加工區(qū)域存在復(fù)雜的熱波和等離子體壓力波動(dòng),這對(duì)材料的去除能力至關(guān)重要。對(duì)了解水導(dǎo)激光加工機(jī)理及二次熔敷層和二次熔敷層的形成具有重要意義。

(4)激光能量在加工表面的分布研究。膠粘劑的能量束與處理后的表面相互作用,形成一定的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)演化對(duì)激光/水射流/材料界面材料的時(shí)空分布有重要影響,進(jìn)一步影響了激光/水射流/材料界面材料的動(dòng)力學(xué)行為。進(jìn)一步研究激光能量在加工表面的分布和演化規(guī)律,可以有效提高激光加工在水下的可控性。